Calculator de Sudură - Curent, Tensiune și Aport de Căldură

Calculator pentru sudare

Un calculator pentru sudare estimează curentul, tensiunea, viteza de deplasare și aportul de căldură necesare pentru o sudură cu arc. Acesta utilizează grosimea materialului și procedeul de sudare folosit. Instrumentul acoperă patru procedee uzuale: MIG (GMAW), TIG (GTAW), cu electrod învelit (SMAW) și cu electrod tubular (FCAW).

Rezultatele sunt valori orientative, nu o procedură de sudare certificată. Acestea sunt valabile pentru materiale subțiri sudate într-o singură trecere. În cazul materialelor mai groase, formulele de bază ies din domeniul lor de valabilitate. Când se întâmplă acest lucru, calculatorul afișează un avertisment în locul unei valori, fără să facă presupuneri.

Cum funcționează calculatorul

Introduceți grosimea materialului în milimetri și selectați un procedeu de sudare. Calculatorul determină un curent recomandat, apoi calculează tensiunea și viteza de deplasare pe baza acelui curent și a grosimii. Curentul poate fi introdus și direct. În acest caz, calculatorul estimează invers grosimea potrivită pentru procedeul respectiv, apoi determină celelalte valori.

Formula curentului de sudare

Curentul crește liniar odată cu grosimea. Rata diferă în funcție de procedeu:

• MIG: $I = 40t$
• TIG: $I = 30t$
• Electrod învelit: $I = 35t$
• Sârmă tubulară: $I = 38t$

I este curentul în amperi. t este grosimea în milimetri.

Formula tensiunii de sudare

Tensiunea crește odată cu curentul:

• MIG: $V = 14 + \frac{I}{25}$
• TIG: $V = 10 + \frac{I}{40}$
• Electrod învelit: $V = 20 + \frac{I}{50}$
• Sârmă tubulară: $V = 22 + \frac{I}{30}$

V este tensiunea în volți.

Formula vitezei de deplasare

Viteza de deplasare este viteza cu care pistoletul sau electrodul se mișcă de-a lungul îmbinării, măsurată în milimetri pe minut. Aceasta scade pe măsură ce materialul devine mai gros:

• MIG: $S = 300 - 20t$
• TIG: $S = 150 - 10t$
• Electrod învelit: $S = 200 - 15t$
• Sârmă tubulară: $S = 250 - 18t$

S este viteza de deplasare în milimetri pe minut.

Formula aportului de căldură

Aportul de căldură măsoară energia termică furnizată pe milimetru de sudură, în kilojouli pe milimetru (kJ/mm). AWS D1.1 și ASME IX îl definesc drept energia arcului:

$Q = \frac{V \times I \times 60}{1000 \times S}$

V este tensiunea, I este curentul în amperi, iar S este viteza de deplasare în mm/min.

A doua valoare, aportul de căldură ISO, provine din EN ISO 1011-1. Aceasta înmulțește energia arcului cu un factor de eficiență termică, k. Acest factor este mai mic decât 1. El estimează cât din energia arcului pătrunde efectiv în metal, în loc să se piardă sub formă de radiație sau stropi.

$Q_i = k \times Q$

$Q_i$ este aportul de căldură ISO, iar k este factorul de eficiență termică.

k este 0,8 pentru sudarea MIG, cu electrod învelit și cu sârmă tubulară cu flux. Pentru TIG este 0,6, deoarece arcul TIG transferă în metalul de bază mai puțină energie decât celelalte trei procedee. Codurile de sudare diferă în privința valorii pe care o numesc „aport de căldură”. Se raportează valoarea cerută de codul aplicabil.

De ce unele date introduse nu dau niciun rezultat

Formulele curentului, tensiunii și vitezei de deplasare sunt aproximații liniare. Ele sunt valabile numai pentru materiale subțiri sudate într-o singură trecere. În sudarea reală cu arc se lucrează cu aproximativ 0,5 până la 5 kJ/mm aport de căldură. Peste această limită, nu există o procedură într-o singură trecere. Îmbinarea necesită mai multe treceri, fiecare menținută în interiorul acestui interval.

Calculatorul verifică acest lucru. Dacă o combinație de grosime și procedeu ar necesita o energie a arcului mai mare de 5 kJ/mm, acesta afișează un avertisment în locul unei valori. Procedează la fel dacă formula dă o viteză de deplasare egală cu zero sau mai mică. Sudarea la o valoare pe care calculatorul nu a afișat-o prezintă riscul de străpungere, deformare excesivă sau formarea unei îmbinări care nu trece inspecția.

Exemplu de calcul

Un sudor îmbină o placă de oțel carbon cu grosimea de 5 mm folosind procedeul MIG.

1. Curent: 5 × 40 = 200 A
2. Tensiune: 14 + 200 / 25 = 22 V
3. Viteza de deplasare: 300 − 5 × 20 = 200 mm/min
4. Energia arcului (aport de căldură AWS/ASME): (22 × 200 × 60) / (1000 × 200) = 1,32 kJ/mm
5. Aport de căldură ISO: 0,8 × 1,32 = 1,06 kJ/mm

Ambele valori se încadrează în intervalul de 0,5–5 kJ/mm pe care îl poate produce o singură trecere MIG, astfel că calculatorul returnează un rezultat.

Comparați acest caz cu oțelul de 10 mm sudat în același mod. Formulele indică 400 A, 30 V și o viteză de deplasare de 100 mm/min. Rezultă o energie a arcului de 7,2 kJ/mm, peste limita de 5 kJ/mm. Calculatorul afișează un avertisment în locul acestor valori. O sudură reală pe oțel de 10 mm necesită mai multe treceri, realizate conform unei proceduri calificate, nu o estimare pentru o singură trecere.

Intervalele uzuale de curent și grosime în funcție de procedeu

Aceste intervale descriu practica uzuală din ateliere. Formulele calculatorului extind aceeași regulă liniară pentru fiecare procedeu, indiferent de limitele unui anumit aparat.

Întrebări frecvente

Ce este aportul de căldură în sudare? Aportul de căldură este energia termică furnizată pe milimetru de sudură, în kJ/mm. Acesta influențează adâncimea de pătrundere a sudurii, viteza de răcire și gradul în care se modifică structura metalului din jur.

Care este diferența dintre aportul de căldură AWS și aportul de căldură ISO? În AWS D1.1 și ASME IX, aportul de căldură este energia arcului: tensiunea înmulțită cu curentul și cu 60, împărțită la 1000 înmulțit cu viteza de deplasare. Aportul de căldură ISO 1011-1 înmulțește această valoare cu un factor de eficiență termică, k. Factorul este 0,6 pentru TIG și 0,8 pentru celelalte trei procedee. Rezultă o valoare mai mică, care reflectă mai bine energia absorbită efectiv de îmbinare.

De ce afișează calculatorul un avertisment în locul unui rezultat? Formulele sunt reguli liniare valabile numai pentru materiale subțiri sudate într-o singură trecere. Peste o energie a arcului de aproximativ 5 kJ/mm sau atunci când formula dă o viteză de deplasare egală cu zero sau mai mică, nicio sudură într-o singură trecere nu corespunde valorii. Calculatorul nu afișează rezultatul, pentru a nu prezenta o valoare falsă.

Pot introduce curentul în locul grosimii? Da. Introducerea unui curent determină calculatorul să estimeze grosimea potrivită pentru acel curent, apoi să calculeze tensiunea, viteza de deplasare și aportul de căldură.

Sunt valabile aceste formule pentru aluminiu? Formulele se bazează pe practica sudării oțelului. Aluminiul conduce căldura mai rapid decât oțelul, astfel că, în general, necesită cu aproximativ 30 % mai mult curent decât oțelul de aceeași grosime, împreună cu argon pur sau un gaz de protecție argon-heliu.

Este acesta un substitut pentru o specificație a procedurii de sudare (WPS)? Nu. Pentru lucrările reglementate de coduri, o WPS calificată, testată și documentată pentru îmbinarea și materialul specifice are prioritate. Calculatorul oferă un punct de pornire pentru configurarea inițială, nu o procedură certificată.

Referințe

1. American Welding Society. AWS D1.1/D1.1M Structural Welding Code — Steel.
2. International Organization for Standardization. EN ISO 1011-1, Recommendations for welding of metallic materials.
3. Jeffus, L. Welding: Principles and Applications, ediția 8. Cengage Learning, 2021.
4. TWI Ltd. „Calculating Heat Input.” twi-global.com.